JP2005069608A - 温水利用システム - Google Patents

Abstract

【課題】 貯湯タンク内に中温水が貯まった場合でも、外気温が低い場合でも、ＣＯ_２ヒートポンプを用いた温水利用システムを効率よく運転すること。
【解決手段】 水道水や井戸水が下部から流入すると共に上部から高温水を排出する貯湯タンク１と、ＣＯ_２を熱媒体として圧縮と膨張を行なうことで吸熱と放熱を行なうと共に放熱部５に水加熱部６を設けたＣＯ_２ヒートポンプ４と、貯湯タンク１の下部１Ｃから低温水を取り出してＣＯ_２ヒートポンプ４の水加熱部６で加熱して貯湯タンク１の上部１Ａに高温水として戻す加熱側循環経路７とを備えた温水利用システムである。貯湯タンク１の中間部１Ｂから中温水を取り出して上記ＣＯ_２ヒートポンプ４の吸熱部８で放熱して貯湯タンク１の下部１Ｃに低温水として戻す流水経路９を設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ヒートポンプ式給湯器に用いられる温水利用システムに関するものである。

従来、ＣＯ_２を熱媒体として圧縮と膨張を行なうことで吸熱と放熱を行なうＣＯ_２ヒートポンプを用いて貯湯タンクの水を加熱して、給湯に供する給湯システムが知られている。

また他の従来例として、温水を保温貯蔵する貯湯タンクと、貯湯タンク内の水を加熱するＣＯ_２ヒートポンプと、貯湯タンクの上部から流出する高温水を熱負荷端末側に設けた熱交換器に放熱して温度が低下した中間温度の温水を貯湯タンクに戻す温水経路とを備えた温水利用システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

ところが、熱負荷端末（浴室暖房、床暖など）を使用する場合、貯湯タンクの高温水を熱交換器に流し、その熱を熱負荷端末に流すが、熱交換器からの戻り水は、中温度（３０〜６０℃）の水になって貯湯タンクに戻る。そのため熱負荷端末を使用する間は、中温水が増える一方であり、この中温水をＣＯ_２ヒートポンプで沸かし上げを行なうと効率が低下する。つまり、貯湯タンクを加熱する際は、貯湯タンクの下部から低温水を取り出してＣＯ_２ヒートポンプで暖めて貯湯タンクの上部に高温水として戻すのであるが、低温水がなくなると下部からは中温水（３０℃〜６０℃）が取り出されるようになる。ところで一般に熱交換器は一次側と二次側の温度差が大きい場合は熱交換する熱量が多くなるという特性を有しており、そのなかでもＣＯ_２を熱媒体とするＣＯ_２ヒートポンプではワンパスで９０℃程度の高温まで加熱できるという特性を有しているが、従来のような中温水の沸かし上げではＣＯ_２ヒートポンプの特性を十分に生かしきれず、熱交換の効率が低下するという問題がある。また、熱負荷端末を多く使用するのは、冬期が多いが、ＣＯ_２ヒートポンプは、外気から熱を奪い、低温水を高温水に沸きあげるため、外気温が低いと外気の熱を奮えず、特に寒冷地では外気熱の取込み効率が悪くなる結果、ＣＯ_２ヒートポンプの吸熱部での熱効率が低下するという問題もある。
特開２００３−１８５２５１号公報

本発明は上記の従来の問題点に鑑みて発明したものであって、貯湯タンク内に中温水が貯まった場合でもその中温水をなくしてＣＯ_２ヒートポンプの熱効率を高めることができるようになり、さらに外気温が低い場合でも、外気熱の取込み効率を良くして熱効率を高めることができる温水利用システムを提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために本発明にあっては、水道水や井戸水が下部から流入すると共に上部から高温水を排出する貯湯タンク１と、ＣＯ_２を熱媒体として圧縮と膨張を行なうことで吸熱と放熱を行なうと共に放熱部５に水加熱部６を設けたＣＯ_２ヒートポンプ４と、貯湯タンク１の下部１Ｃから低温水を取り出してＣＯ_２ヒートポンプ４の水加熱部６で加熱して貯湯タンク１の上部１Ａに高温水として戻す加熱側循環経路７とを備えた温水利用システムにおいて、上記貯湯タンク１の中間部１Ｂから中温水を取り出して上記ＣＯ_２ヒートポンプ４の吸熱部８で放熱して貯湯タンク１の下部１Ｃに低温水として戻す流水経路９を設けたことを特徴としている。

このような構成とすることで、貯湯タンク１内の中間温度の熱（３０℃〜６０℃）をＣＯ_２ヒートポンプ４の吸熱部８に戻すことにより、貯湯タンク１の中温水をなくすことができ、従来のように中温水をＣＯ_２ヒートポンプ４で沸かし上げを行なう場合と比較して、ＣＯ_２ヒートポンプ４の熱効率が向上する。しかも、貯湯タンク１内の中温水をなくすことにより、貯湯タンク１に蓄える熱容量を多くできるようになり、貯湯タンク１の小型化が図られる。さらに、貯湯タンク１内部の中温水を取り出して吸熱部８にて放熱を行なうので、外気温が低い場合でも、貯湯タンク１の中温水の温度を利用して外気熱の取込み効率を良くすることができ、ＣＯ_２ヒートポンプ４の吸熱部８での熱交換の効率を上げることが可能となり、ＣＯＰ（＝沸き上げ能力［ｋＷ］÷消費電力［ｋＷ］）を大きくすることができる
また、上記貯湯タンク１の中間部１Ｂの水の温度が高温或いは低温の時はその高温水、低温水を取り出さず、中温の時のみその中温水を流水経路９に取り出す制御回路３６を備えていることを特徴とするのが好ましく、この場合、中温水がなくなった時点で流水経路９の循環を停止させることができるので、高温水や低温水がＣＯ_２ヒートポンプ４の吸熱部８に流れて効率を悪くすることを防止でき、ＣＯＰをさらに大きくすることができる。

本発明は、ＣＯ_２ヒートポンプで貯湯タンクのお湯を沸かし、貯湯タンクの温水を熱負荷端末に流出させるものに関して、貯湯タンク内に中温水が溜まった場合でも、また外気温が低い場合でも、ＣＯ_２ヒートポンプの熱交換の効率を高めることが可能となる。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明する。

図１は、貯湯タンク１内の中温水をＣＯ_２ヒートポンプ４の吸熱部８に循環させて低温水を作り、貯湯タンク１に戻すようにした温水利用システムの一実施形態である。なお、以下の実施形態に例示した数字、回路構成等は一例であり、勿論これらに限定されるものではない。

本実施形態の温水利用システムは、ヒートポンプユニット３と、貯湯タンクユニット２とで主体が構成されている。

先ずヒートポンプユニット３は、ＣＯ_２を熱媒体として圧縮と膨張を行なうことで吸熱と放熱を行なうと共に放熱部５に水加熱部６を設けたＣＯ_２ヒートポンプ４と、貯湯タンク１の下部１Ｃ（本例では底部）から低温水を取り出してＣＯ_２ヒートポンプ４の水加熱部６で加熱して貯湯タンク１の上部１Ａに高温水として戻す加熱側循環経路７と、貯湯タンク１の中間部１Ｂから中温水を取り出してＣＯ_２ヒートポンプ４の吸熱部８で放熱して貯湯タンク１の下部１Ｃに低温水として戻す流水経路９とで構成されている。ここで、ＣＯ_２ヒートポンプ４の配管１１内にはＣＯ_２が高圧封入されている。この配管１１には、放熱部５に配置される水加熱部６の一次側と、圧縮機１２と、吸熱部８に配置される第１空気熱交換器１４と、膨張弁１３とがＣＯ_２の流れ方向に沿って順に配置されている。また、吸熱部８に配置される第１空気熱交換器１４はファン１７付き屋外熱源機１６と熱的に結合されており、屋外熱源機１６からの外気と第１空気熱交換器１４を通過するＣＯ_２との間で熱交換が行なわれるようになっている。一方、水加熱部６の二次側には水熱交換器１９が配置されている。この水熱交換器１９は加熱側循環経路７の途中に設けられている。加熱側循環経路７の上流端はヒートポンプ用ポンプ２０を介して貯湯タンク１の下部１Ｃに接続され、下流端は貯湯タンク１の上部１Ａ（本例では最上部）に接続されている。

さらに上記ＣＯ_２ヒートポンプ４の吸熱部８には、屋外熱源機１６と熱的に結合される第２空気熱交換器１５が設けられている。この第２空気熱交換器１５は流水経路９の途中に配置されている。流水経路９の上流端は貯湯タンク１の中間部１Ｂに接続され、下流端は中温水用ポンプ１８を介して貯湯タンク１の下部１Ｃに接続されており、貯湯タンク１の中間部１Ｂから流水経路９に取り出された中温水が第２空気熱交換器１５において外気に熱を奪われ、低温水となって貯湯タンク１の下部１Ｃに戻されるようなっている。そして外気が中温水の熱で加熱されることで、この外気が第１空気熱交換器１４を通過するＣＯ_２を加熱することとなり、結果、寒冷地においてもＣＯ_２ヒートポンプ４の熱効率を高めることができる仕組みとなっている。

一方、貯湯タンクユニット２は、水道水や井戸水が下部から流入すると共に上部から高温水を排出する貯湯タンク１と、熱交換器２３の一次側配管と一次側ポンプ２１とが配置された一次側循環経路２４と、熱交換器２３の二次側配管と二次側ポンプ２２とが配置された二次側循環経路２５とを備えている。

ここで貯湯タンク１は、水道水を貯めており、その底部には水道水の供給口２６と、流水経路９の戻り側に通じる低温水戻り口２７と、加熱側循環経路７の出側に通じる低温水出口２８とがそれぞれ設けられており、貯湯タンク１の中間部１Ｂには中温水出口３８が設けられ、貯湯タンク１の最上部には、加熱側循環経路７の戻り側に通じる高温水戻り口２９と、給湯経路３１に通じる給湯出口３０とがそれぞれ設けられている。

次に動作を説明する。先ず、貯湯タンク１の水を加熱するにあたって、ヒートポンプ用ポンプ２０が働くと、貯湯タンク１の下部１Ｃから低温水を吸い込み、高温水として上部に流入する。一方、ＣＯ_２ヒートポンプ４の圧縮機１２はその配管内のＣＯ_２を圧縮して高温にする。その高温のＣＯ_２が水加熱部６で熱交換して冷やされる。その後、膨張弁１３で膨張するとＣＯ_２は低温になり、第１空気熱交換器１４で外気の熱で暖められる。これを繰り返し、結果として、貯湯タンク１の下部１Ｃからの低温水（水道水程度の温度の水）がヒートポンプ用ポンプ２０で、水加熱部６の二次側に送られ、暖められ、高温水になる。

一方、浴室暖房や乾燥等のための熱負荷端末１０の運転時には、一次側ポンプ２１が働くと、貯湯タンク１の上部１Ａから給湯経路３１を介して一次側循環経路２４に高温水を吸い込み、熱交換器２３の一次側配管を暖める。さらに二次側ポンプ２２も動作すると、熱媒体は熱負荷端末１０（例えば、浴室乾燥ユニット、床暖など）に到達し、そこで、熱を放出して二次側循環経路２５に戻るようになっている。なお、給湯混合弁３２の操作によって給湯経路３１からの高温水と水道水と混合されて、風呂やシャワーなどの給湯機器に供給される点は従来と同様である。

上記熱交換器２３の一次側配管から貯湯タンク１に戻ってくる温水は、３０〜６０℃の中温水になる。このため、貯湯タンク１の内部は、中温水が増えることとなる。このとき、中温水用ポンプ１８を動作させる。これにより、中温水は貯湯タンク１の中温水出口３８から抜かれて、流水経路９に取り出され、ＣＯ_２ヒートポンプ４の吸熱部８に配置された第２空気熱交換器１５を通過する際に外気で冷やされて貯湯タンク１の底部に戻ってくる。これにより、貯湯タンク１内の中温水の量は減っていく。またこのサイクルにおいて、第２空気熱交換器１５の温度が中温水によって上昇して吸熱部８における外気を暖める。この暖められた空気は、第１空気熱交換器１４で吸熱される。これにより冬期など外気温が低いときでも、吸熱部８には暖かい空気が流れ込むようになり、熱交換の効率が高められる。

しかして、熱負荷端末１０（浴室暖房、床暖など）を使用する際に中温水が貯湯タンク１に溜まってくる場合でも、中温水を取り出してＣＯ_２ヒートポンプ４の吸熱部８で放熱するための流水経路９を設けて、中間温度の熱をＣＯ_２ヒートポンプ４の吸熱部８に戻すようにしているので、貯湯タンク１の中温水をなくすことができ、従来のように中温水をＣＯ_２ヒートポンプ４で沸かし上げを行なう場合と比較して、ＣＯ_２ヒートポンプ４の熱効率を向上させることができる。つまり、熱源として用いられるＣＯ_２ヒートポンプ４は、熱媒体であるＣＯ_２が従来のフロン等よりも高圧になり、高圧側が臨界点を越える超臨界サイクルを達成することで加熱性能が向上し、他のヒートポンプと比べてワンパスで９０℃程度の高温まで加熱できるという利点があり、上記のように熱交換の効率が悪い中温水をなくすことで、ヒートポンプ４の沸き上げ効率を向上させることができるという利点が得られるものであり、さらにＣＯ_２は従来のフロン等と比較してほぼ同等の熱媒体性能を有しながら、オゾン層破壊の危険はきわめて少ないという利点もある。しかも、貯湯タンク１に中温水がなくなることにより、貯湯タンク１に蓄える熱容量を多くすることができるようになり、貯湯タンク１の小型化及び設備コストの低減化を図ることができる。

さらに熱負荷端末１０を多く使用するのは、冬期が多い。本例における外気熱利用タイプのＣＯ_２ヒートポンプ４にあっては、外気から熱を奪い、低温水を高温水に沸きあげるため、外気温が低いと効率が低下するという問題があるが、本発明では、貯湯タンク１内部の中温水を取り出して外気に放熱させるため、外気熱の取込み効率を良くすることができ、結果、ＣＯ_２ヒートポンプ４の吸熱部８での熱交換の効率を上げることが可能となる。これらにより、従来ではＣＯ_２ヒートポンプ４は、ＣＯＰ（＝沸き上げ能力［ｋＷ］÷消費電力［ｋＷ］）が「３．０」だったものが、本発明では「４」を超えることが確認された。

なお、本例では第１空気熱交換器１４と第２空気熱交換器１５とを別構造としているが、一体化して製作することも可能であり、この場合、外気を介さず熱を伝えるので、熱伝導効率はさらに向上するという利点がある。

図２は、本発明の他の実施形態であり、貯湯タンク１の中間部１Ｂに温度センサ３５を設けて、循環の要否を判別する場合の一例を示している。本例では、貯湯タンク１の中間部１Ｂの水の温度が高温或いは低温の時はその高温水、低温水を取り出さず、中温の時のみその中温水を流水経路９に取り出す制御回路３６と、貯湯タンク１の中間部１Ｂの水の温度を検知する温度センサ３５を備えている。温度センサ３５が一定温度範囲のとき、信号ライン３７からの検知信号が制御回路３６に送られ、制御回路３６が中温水用ポンプ１８を動作させるようになっている。それ以外の動作は図１の場合と同様であり、対応する部分には同一符号を付してその説明は省略する。しかして、貯湯タンク１の中間部１Ｂ（中温水領域）に温度センサ３５を設け、温度センサ３５が中温を検出しているときには、中温水用ポンプ１８を駆動して貯湯タンク１の中間部１Ｂから中温水を取り出して、ＣＯ_２ヒートポンプ４の吸熱部８に設けた放熱部５で放熱した後に、貯湯タンク１の下部１Ｃに戻す。温度センサ３５が中温を検出していないときは、中温水用ポンプ１８は止める。このように中温水がなくなった時点（目的の状態となった時点）で流水経路９への循環を停止させることができるので、自動的に循環の要否を判別することができる。従って、高温水や低温水がＣＯ_２ヒートポンプ４の吸熱部８に流れて効率を悪くすることを防止でき、結果、ＣＯＰを図１の場合よりも更に大きくすることが可能となる。

なお前記各実施形態では、屋外熱源機１６をＣＯ_２ヒートポンプ４の吸熱部８に配置して外気とＣＯ_２との間で熱交換を行なう場合を説明したが、勿論これには限定されず、例えば水を冷熱媒体とする冷熱媒体サイクルをＣＯ_２ヒートポンプ４の吸熱部８に配置することも可能である。

本発明の一実施形態を説明する構成図である。 本発明の他の実施形態を説明する構成図である。

符号の説明

１ 貯湯タンク
１Ａ 上部
１Ｂ 中間部
１Ｃ 下部
４ ＣＯ_２ヒートポンプ
５ 放熱部
６ 水加熱部
７ 加熱側循環経路
８ 吸熱部
９ 流水経路
３６ 制御回路

Claims (2)

1. 水道水や井戸水が下部から流入すると共に上部から高温水を排出する貯湯タンクと、ＣＯ_２を熱媒体として圧縮と膨張を行なうことで吸熱と放熱を行なうと共に放熱部に水加熱部を設けたＣＯ_２ヒートポンプと、貯湯タンクの下部から低温水を取り出してＣＯ_２ヒートポンプの水加熱部で加熱して貯湯タンクの上部に高温水として戻す加熱側循環経路とを備えた温水利用システムにおいて、上記貯湯タンクの中間部から中温水を取り出して上記ＣＯ_２ヒートポンプの吸熱部で放熱して貯湯タンクの下部に低温水として戻す流水経路を設けたことを特徴とする温水利用システム。
2. 上記貯湯タンクの中間部の水の温度が高温或いは低温の時はその高温水、低温水を取り出さず、中温の時のみその中温水を流水経路に取り出す制御回路を備えていることを特徴とする請求項１記載の温水利用システム。
   

Images